Diferenciação celular

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Diferenciação celular
Profa Ana Lúcia Kern
Biologia Celular 
Roteiro 
	Introdução 
	Características gerais
	Organismos-modelo
	Desenvolvimento celular e diferenciação
	Desdiferenciação e transdiferenciação 
	Controle da atividade gênica
	Morfógenos
	Células-tronco 
Introdução 
	Diferenciação é o processo pelo qual as células se "especializam" para realizar determinada função
	Diferenciação celular: aspectos biológicos
	Todos se desenvolvem a partir de uma única célula;
	Novos tipos celulares emergem ao longo do desenvolvimento embrionário;
	O genoma é o mesmo em todas as células (exceto para alguns macrófagos);
	
Diferenciação celular: embriogênese
	Inicia com uma única célula: ovo fertilizado que se divide por mitoses sucessivas
	Formação de clones: todas com o mesmo genoma
	Formação de diferentes formas (diferenciadas)
Diferenciação celular
Alterações das propriedades físicas e funcionais da célula à medida que proliferam no embrião para formar as diferentes estruturas corporais.
Diferenciação celular
	O processo de diferenciação ou maturação celular é um estágio de especialização e geralmente atinge um ponto final com função e estruturas estabilizadas.
Tecido epitelial 
Diferenciação celular
Exemplos de células especializadas
Características da diferenciação celular
Multiplicação de células, através de clivagens;
Diferenciação ou especialização celular, com modificações no tamanho e forma das células que compõem os tecidos. 
Essas alterações é que tornam as células capazes de cumprir sua funções biológicas
Diferenciação celular durante a embriogênese
As células do embrião diferenciam nos 3 folhetos embrionários (ectoderma, mesoderma e endoderma) a partir dos quais serão formadas todos os tecidos que compõem o organismo 
Potencialidade x Diferenciação
	Potencialidade – é a capacidade que a célula tem em originar outros tipos 
	Diferenciação - é o grau de especialização celular, na qual passam a exercer funções específicas
	Em qualquer célula, quanto maior for a potencialidade, menor será a diferenciação e vice-versa.
Diferenciação celular 
Organismos-modelo
Drosophila melanogaster
Caenorhabditis elegans
Xenopus laevis
Arabidopsis
Organismos-modelo
Drosophila melanogaster 
	Ovo é assimétrico: grande quantidade de vitelo (nutrientes) na porção inferior e um claro citoplasma com o núcleo na porção superior
	Fertilização induz clivagem (mitoses sucessivas) desta célula em várias outras menores – desenvolvimento dos tecidos e órgãos
Modelo de desenvolvimento de vertebrados: estágios básicos
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	Rãs: ovos grandes e embriões fáceis de cultivar
Visão geral
Fertilização clivagens sucessivas
Diferenciação celular 
as
	 As clivagens consistem em mitoses sucessivas, sem que ocorram o crescimento das células entre as clivagens;
	 Até a 3ª divisão, as células são indiferenciadas, são totipotentes, ou seja, podem gerar um organismo completo, como a própria célula-ovo (apresentam 100% de potencialidade)
Diferenciação celular 
as
	 No estágio de mórula (massa celular compacta de células) o embrião atinge no varia de células, de acordo com a espécie)
	 ex.: 16 cels, ser humano; 32 cels, ouriço-do-mar
Diferenciação celular 
as
Diferenciação celular 
	Após o estágio de mórula, concomitante à divisões celulares, as células passam a produzir líquidos que se acumulam do interior do embrião – formando uma cavidade (blastocele) – formando a BLÁSTULA
	Neste estágio, ocorre produção apenas de proteínas necessárias à divisão celular – intensa síntese de DNA
	A partir desta fase, finalizam-se as clivagens
	A partir da blástula o embrião passa por complexas transformações que culminam no aparecimento de 3 linhagens celulares distintas (folhetos):
	Endoderma
	Mesoderma 
	Ectoderma
Durante a gastrulação, a diferenciação celular efetivamente começa a ocorrer no embrião 
	Neste estágio de gástrula, há uma intensa migração celular (movimentos morfogenéticos), complexas interações teciduais por meio das quais novas células serão formadas e agrupadas – tecidos e órgãos (organogênese)
Definem o estágio de GÁSTRULA 
Diferenciação celular 
	A gastrulação se caracteriza pela intensa expressão gênica, principalmente:
	Moléculas de adesão
	Componentes da matriz extracelular
	Citoesqueleto
	Proteínas específicas a cada tipo celular
	Além de mediadores químicos relacionados à diferenciação celular
Diferenciação celular 
Diferenciação celular 
Na g
Na gastrulação ocorre uma invaginação e migração das células da superfície do embrião para o seu interior, formando uma cavidade = ARQUÊNTERO (intestino primitivo), conectado ao meio externo pelo blastóporo
Diferenciação celular 
Na g
	NÊURULA: imediatamente posterior à gástrula, é a última fase do desenvolvimento do embrião, na qual se pode evidenciar os 3 tecidos embrionários (ectoderme, mesoderme e endoderme)
	É o estágio em que se intensifica a diferenciação celular
	Observa-se também a formação do tubo neural (formará o SNC), da notocorda (coluna vertebral) e do celoma (cavidades corporais)
Sinais na notocorda controlam o padrão do sistema nervoso no embrião
	Notocorda = estrutura precursora da coluna vertebral
	Se forma na fase inicial da gastrulação 
Diferenciação celular 
Organogênese 
Processo pelo o qual os folhetos embrionários darão origem aos órgãos e tecidos constituintes de cada animal 
Determinação celular
Uma vez que a célula esteja diferenciada, ela deve assim permanecer para que o desenvolvimento prossiga e se forme um indivíduo adulto
Uma célula determinada é aquela que sofreu alterações autoperpetuáveis de caráter interno, as quais a distinguem, bem como as suas descendentes, das demais células do embrião
	Normalmente a determinação precede a diferenciação, embora possam ocorrer simultaneamente
Determinação celular
Uma dada característica celular é modulada por um conjunto de proteínas reguladoras – controlam a expressão gênica que faz com que a célula se especifique
Os componentes determinantes são expressos pelo genoma em resposta a um fator (morfógeno) e atuam sobre a expressão celular para mantê-la seletiva aos genes ativados pela determinação
Esses fatores fazem com que exista um tipo de memória celular sobre o fenótipo determinado
Modificações no estado diferenciado da célula
	O fenótipo de uma célula diferenciada é normalmente estável – no entanto, em algumas circunstâncias as células diferenciadas podem alterar seu padrão de diferenciação
	Isso ocorre por dois processos:
	Desdiferenciação
	Transdiferenciação 
Desdiferenciação
	É a perda das características diferenciadas de uma célula
	Exemplos: 
	durante a regeneração dos tritões (anfíbio da família das salamandras) – durante a amputação de seus membros
	nas formação de calos vegetais retorno de células meristemáticas adultas ao estado não diferenciado - ocorre por indução de hormônios
Transdiferenciação
	Habilidade pela qual uma célula diferenciada tem de originar uma outra célula especializada, sem que haja uma célula indiferenciada como intermediária
	
Ex.: células-tronco adultas – são células diferenciadas (fígado, cérebro, medula, tecido 	adiposo) que podem se renovar e reproduzir indefinidamente e, sob certos estímulos, se transformar em células especializadas de diferentes tecidos
ou órgãos
	
Transdiferenciação
Transdiferenciação das células tronco adultas
Célula tronco do sistema nervoso central (CT-SNC) 
Célula tronco mesenquimal (CTM)
Medula óssea (MO)
Diferenciação celular x Genoma
	O genoma, repetido fielmente em cada célula, define as regras pelas quais as atividades celulares iniciam
	Ativação ou desativação de conjunto de proteínas específicas: sinais moleculares
	Definição de crescimento, divisão e morte celular
Transdução de sinais extracelulares e diferenciação
	Sinais externos que se ligam a receptores específicos nas células induzem a diferenciação celular
	O tipode receptor varia de acordo com o tipo de molécula sinalizadora
	Um vez que a molécula sinalizadora não entra na célula, é necessário a existência de uma via de transdução de sinais, que promove a tradução das informações recebidas do meio externo
Controle da diferenciação celular 
	Ocorre a nível de transcrição no DNA
	A maior parte dos genes que induzem diferenciação são bastante conservados evolutivamente e foram descobertos em estudos com Drosophila
	Acredita-se que moléculas denominadas de determinates citoplasmáticos (distribuídos de forma assimétrica na célula-ovo) são responsáveis pelo controle na diferenciação
Células ativam e desativam diferentes grupos de genes
	O comportamento celular depende do conjunto de genes atuantes e isso é o que promove os processos de desenvolvimento
	Para que ocorra a diferenciação a célula precisa reagir à uma substância indutora (morfógenos)
Morfógenos 
A diferenciação celular, além da epigenética (atividade reguladora de genes), depende da ação de morfógenos, isto é, fatores que induzem a diferenciação celular. 
Estes morfógenos podem ser intracelulares provenientes do citosol da célula mãe. 
Se a divisão da célula mãe for assimétrica, algumas proteínas citosólicas podem estar presentes apenas em uma das células filhas. 
Mesmo no caso da divisão ser simétrica, isto é, gerar duas células filhas idênticas estas poderão sofrer a ação de morfógenos presentes no meio externo.
Morfógenos 
A capacidade dos morfógenos em induzir a diferenciação pode variar de acordo com a sua concentração 
Morfógenos 
Distribuição de morfógenos no embrião de Drosophila ao longo do desenvolvimento
Morfógenos 
Alguns morfógenos conhecidos e suas funções durante a diferenciação celular
	Morfógeno 	Função 
	TGF-	Interações epitélio-mesenquimais
	Vg1	Diferenciação do mesoderma dorsal
	BMP	Diferenciação mesodérmica e óssea
	Activina 	Diferenciação do mesoderma
	FGF	Diferenciação do mesoderma ventral e posterior
	KGF	Diferenciação mesodérmica e muscular
	DI	Diferencação do eixo- dorso-ventral
Células diferenciadas
	Nos animais muitas células diferenciadas que necessitam de uma substituição contínua são incapazes de se dividirem: hemácias, células da superfície da epiderme, células de absorção, células caliciformes do intestino
	São células terminantemente diferenciadas em fase final de seu desenvolvimento
	Estas células são substituídas por células precursoras em proliferação
Diferenças na manutenção do estado diferenciado em animais e vegetais
Células animais: costumam manter o seu estado diferenciado mesmo em cultivo
Células vegetais: não mantém o estado diferenciado quando retiradas da planta e mantidas em cultivo
TRANSDIFERENCIAÇÃO: perda das características diferenciadas quando o ambiente é alterado
CÉLULAS ANIMAIS: potencialidade de multiplicação celular diminui com o aumento do nível de especialização
Manutenção x Reversão
do estado diferenciado
	Exemplos de hipóteses possíveis para manutenção do estado diferenciado:
	Perda ou inativação/ativação irreversível de um conjunto de genes
	Ação de proteínas regulatórias que mantém a diferenciação
Células indiferenciadas animais: células-tronco
	Células-tronco são células indiferenciadas com grande capacidade de auto-renovação e de produzir pelo menos um tipo celular altamente especializado 
	Podem se dividir sem limites (pelo tempo de vida do indivíduo)
	Quando as células-tronco se dividem – cada célula-filha pode permanecer como célula-tronco ou se encaminhar para diferenciação 
Células tronco
Categorias de células-tronco: 
	Totipotentes
	Pluripotentes 
	Multipotentes
Totipotentes: 
	são células embrionárias capazes de se diferenciar em todos os tecidos que formam o corpo, incluindo a placenta e anexos embrionários (mamíferos). 
Corresponde ao zigoto até mórula
	
Células tronco
Pluripotentes: 
	capacidade de gerar células dos três folhetos embrionários, que darão origem a todos os outros tecidos do organismo (excluindo a placenta e anexos embrionários)
Correspondem a 32 - 64 células (aproximadamente a partir do 5º dia de vida), fase considerada blastocisto. 
	
Células tronco
Células-tronco totipotentes
Células-tronco embrionárias (pluripotentes)
Células tronco
	Recentemente, cientistas desenvolveram uma técnica para reprogramar geneticamente células adultas diferenciadas para um estado pluripotente. 
	As células geradas por essa técnica são chamadas de células-tronco de pluripotência induzida (iPS, da sigla em inglês induced pluripotent stem cells) e apresentam características muito parecidas com as células-tronco pluripotentes extraídas de embriões
Células diferenciadas de um tecido adulto podem ser clonadas em óvulos não fertilizados (nos quais foram removidos o DNA) para obtenção de um blastocisto que irá se diferenciar – uso na clonagem reprodutiva e clonagem terapêutica 
Células-tronco pluripotentes induzidas (iPS) podem ser geradas por meio da transformação direta de células do tecido adulto 
Os pesquisadores introduzem artificialmente nessas células (fibroblastos) um grupo específico de genes que codificam reguladores de expressão; em cultivo esses fibroblastos se transformam em células tronco pluripotentes e se comportam como células embrionárias podendo se diferenciar em qualquer tipo de célula do organismo 
Células tronco
Multipotentes são células isoladas de vários órgãos adultos autorrenováveis e diferenciadas em múltiplos tipos celulares de órgãos específicos. 
	Normalmente originam células de um subgrupo de linhagens celulares do mesmo folheto embrionário, como as células tronco mesenquimais (CTM), células tronco hematopoiéticas (CTH) e células tronco neurais
	Existem ainda células oligopotentes (ex. trato intestinal), capazes de gerar células mais restritas a uma linhagem que as multipotentes e as unipotentes, que possuem nenhum ou limitado poder de renovação e diferenciação em apenas um único e definido tipo celular (cels cerebrais e da próstata; células da pele)
A epiderme é renovada a partir das células tronco de sua lâmina basal, que contém também células precursoras em divisão (originadas das CT). Estas se movem para fora à medida que se diferenciam, até descamarem e serem descartadas por morte programada.
Células tronco hematopoiéticas (CTH), originadas da medula óssea, se diferenciam em vários tipos de células sanguíneas 
Células tronco
Quanto a sua natureza, as CT podem ser:
Embrionárias
Fetais 
Adultas
Embrionárias: são totipotentes ou pluripotentes, com alto poder de diferenciação 
	Derivadas de embriões congelados ou considerados inviáveis para implantação que são descartados nas clínicas de reprodução assistida ou podem ser produzidos através da clonagem para fins terapêuticos (clonagem terapêutica)
Células tronco embrionárias
Células tronco
Fetais – estão presentes em abundância por todo o organismo em desenvolvimento e possuem maior potencial de autorrenovação 
	Podem ser isoladas de qualquer tecido, desde que a extração celular ocorra durante a sua formação no período fetal. No entanto, há importantes questões éticas envolvidas na extração dessas células em fetos humanos 
	As CT fetais, sendo mais comprometidas a determinadas linhagens celulares, são consideradas multipotentes, com exceção das encontradas recentemente no líquido amniótico, que são pluripotentes
Células tronco
Adultas: células da medula óssea, sangue, fígado, cordão umbilical e placenta; 
	Cordão umbilical e placenta são consideradas células adultas, devido a sua limitação de diferenciação. 
	Também encontradas no sistema nervoso, epitélio, etc. Entretanto, estudos demonstram que a sua capacidade de diferenciação é limitada e que a maioria dos tecidos humanos não podem ser obtidas a partir delas
Células-tronco do epitélio intestinal adulto
Referências 
Alberts, B.; Bray, D.; Hopkin, K. et al. Fundamentos da Biologia Celular: uma Introdução à Biologia Molecular da Célula. 2ª edição.Porto Alegre: Artmed, 2006. 740 p. 
Cooper, G. M. A Célula - Uma Abordagem Molecular. 2ª edição Porto Alegre: Artmed, 2001. 712 p
Carvalho, H.F.; Recco-Pimentel. A célula, 2ª ed. São Paulo: Manole, 2007. 380 p.